Введение к работе
Актуальность темы
Интенсивное использование установок с закрученными потоками в промышленности - вихревых смесителей, сепараторов, адсорберов, энергоразделителей, вакуум-насосов и эжекторов, камер сгорания, гидро- и газотурбин и пр. - обусловлено возможностью создания во вращающихся потоках поля центробежных сил, существенно превышающих гравитационные силы, и увеличением траекторий движения частиц. Однако в настоящее время разностороннее применение закрученных потоков и вихревых технологий опережает процесс их детального исследования. В результате имеется много высокоэффективных единичных циклонно-вихревых установок, но их широкое распространение сдерживается отсутствием научно обоснованных рекомендаций для перехода на другую производительность и режимы работы. Исследователи соглашаются, что проблема связана, главным образом, с потерей устойчивости осесимметричных закрученных потоков и возникновением в них разного рода сложных трехмерных вихревых структур, существенно влияющих на все процессы в вихревых аппаратах.
Желание интенсифицировать процессы в вихревых аппаратах приводит к необходимости существенного увеличения закрутки потока. Потокам с сильной закруткой свойственна потеря устойчивости, что выражается в распаде осесимметричного вихревого ядра и возникновении после зоны распада нескольких типов возмущенного движения (одиночные или двойные неподвижные либо прецессирующие винтообразные вихри). Согласно данным J.H. Faler и S. Leibovich (1977), местоположение распада вихря и сама возможность его появления определяются значениями числа Рейнольдса и параметром закрутки. В 1984 году А.К. Gupta, D.G. Lilley и N. Syred провели параллель между классическими экспериментами по наблюдению распада вихревого ядра в закрученном потоке в трубе и процессами, происходящими в вихревых аппаратах. Авторы сделали выводы: а) увеличение закрутки потока приводит к более раннему возникновению распада, т.е. расширяет границы неустойчивой работы вихревых камер; б) без изучения границ распада для конкретной геометрии вихревых аппаратов невозможен правильный переход от высокоэффективных лабораторных установок к крупномасштабным промышленным аппаратам и прогнозирование их работы на переходных режимах.
Таким образом, главной задачей в области применения вихревых технологий на современном этапе является изучение устойчивости закрученных потоков. Согласно мнению А.К. Gupta с соавторами, в вихревых аппаратах важно обеспечить такие условия, чтобы при данном параметре закрутки число Рейнольдса всегда находилось вне пределов диапазона, отвечающего стадии распада вихря. Если режим работы соответствует зоне после распада, то реализуются потоки либо с вращающимся, либо с неподвижным вихрем, обычно имеющим винтовую форму. На современном этапе исследований стало ясно, что при возникновении неустойчивости основную роль играют прецессирующие трехмерные вихревые
структуры винтовой формы. Поскольку процесс образования вихрей зависит от конструкции вихревого аппарата, то для каждой конструкции вихревого аппарата необходимо комплексное исследование его работы с составлением карты рабочих режимов. Карта режимов должна не только содержать границы зон возникновения распада, но и отражать границы устойчивого существования стационарных винтообразных вихревых структур при больших крутках за распадом, где предполагается эксплуатировать аппарат.
В вихревых аппаратах первое наблюдение винтообразного вихря связано с его самоиндуцированным вращением. Были обнаружены интенсивные низкочастотные окружные пульсации потока, которые назвали прецессией вихревого ядра. То, что прецессия вызывается вращением винтового вихря (жгута), по-видимому, впервые было показано при изучении закрученных потоков в отсасывающих трубах гидротурбин. Одно из первых наиболее полных описаний прецессирующего вихря с воспроизведением его винтовой структуры сделал R.C. Chanaud (1965). Изучению прецессии вихревого ядра в вихревой камере с удлиненным рабочим участком методами лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА) посвящен цикл работ R.F. Guarga с соавторами (1985). Они также измеряли частоту пульсаций давления на стенке (частоту прецессии) и одновременно визуализировали трехмерную структуру вращающегося винтового вихря, порождающего эти пульсации. Кутателадзе С.С, Волчков Э.П., Терехов В.И., (1987) успешно визуализировали закрученный поток, как прецессирующий, так и с подавленной прецессией (с неподвижным винтовым вихрем).
Интенсивные пульсации давления, связанные с прецессией вихревого жгута, являются причиной износа установок и ухудшения рабочих характеристик вихревых аппаратов. Поэтому для повышения эффективности и надежности работы установок необходимо научиться правильно диагностировать нестационарные явления, возникающие в их рабочих участках. Подобная физическая задача решалась, в основном, двумя способами - визуальным наблюдением за потоком и измерением пульсаций давления на стенках. Количественное исследование потока контактными методами (термоанемометрия и др.) невозможно потому, что распадающийся вихрь очень чувствителен к внешним возмущениям, и введение датчика вызывает распад вихря. С развитием методов ЛДА, лазерной доплеровской полупроводниковой анемометрии (Laser Dopier Semiconductor Anemometry, LDSA), и лазерной анемометрии по изображениям частиц (Particle Image Velocimetry, PIV) появились работы с количественными данными о потоке в процессе распада вихря. При этом все исследования производились с использованием лабораторных простейших моделей с чистыми средами и хорошими оптическими свойствами. Для реальных технологических рабочих сред, как правило, обладающих плохой оптической разрешимостью, проводились только качественные визуальные наблюдения и, в основном, высказывались предположения на основе косвенных данных.
Применение методов лазерной доплеровской анемометрии для более строгого изучения структуры закрученных потоков в большинстве реальных вихревых аппаратов было осложнено многофазностью потоков и плохой оптической разрешимостью среды. Плохая оптическая разрешимость обусловлена
одновременным действием механизмов поглощения и многократного светорассеяния на неоднородных включениях, примесях, инородных частицах и пузырьках, имеющих широкий спектр размеров - от нанометров до миллиметров, различные оптические характеристики. Большинство методов, разработанных ранее в доплеровской анемометрии, в явной либо неявной форме используют модель одночастичного доплеровского сигнала от калиброванных частиц. Это требует от светорассеивающих частиц, взвешенных в потоке, характеристик, близких к идеальным (абсолютная сферичность, монодисперсность, зеркальная поверхность и т.д.). Такие светорассеивающие частицы производятся зарубежными компаниями и стоят достаточно дорого. Засеивание ими больших технологических объемов воды (сотни тонн) в натурных экспериментах весьма проблематично. Использование естественных светорассеивателей (частички ржавчины, грязи и т.п.) в мутных многофазных средах с плохой оптической разрешимостью делает одночастичную модель и применение основанных на ней методов анемометрии в целом малоэффективными, особенно при диагностике сложных пульсирующих градиентных закрученных потоков.
Данная работа, посвященная исследованию закрученного потока в кубическом контейнере с проведенной автором адаптацией использования доплеровского полупроводникового анемометра для жидкостей с плохой оптической разрешимостью и использованием натуральных светорассеивателей, актуальна и представляет несомненный научный и практический интерес.
Цель работы
Целью работы является определение критических чисел Рейнольдса, при которых происходит переход к нестационарным режимам закрученного течения в кубическом контейнере, а также исследование пульсационных характеристик потока с целью сопоставления течений в кубическом и цилиндрическом контейнерах.
В данном исследовании необходимо провести физическое моделирование важных особенностей течений, возникающих в реальных вихревых аппаратах и связанных с неосесимметричностью формы их рабочих участков и наличием углов, а также исследовать особенности сигналов, вызванных плохой оптической разрешимостью рабочей жидкостной среды в присутствии естественных светорассеивателей случайной формы.
Для достижения указанной цели необходимо развить методы обработки сигналов лазерного доплеровского анемометра, которые позволят существенно расширить класс задач, решаемых лазерными доплеровскими анемометрами. Необходимо развивать новые методы обработки доплеровских сигналов с низким соотношением сигнал/шум. Методы должны быть адаптированы к сигналам, на свойства которых влияет использование полупроводникового лазера в оптической схеме лазерного доплеровского анемометра, при измерениях в мутных средах и использовании естественных светорассеивателей. Результаты должны способствовать дальнейшему развитию более надежных и дешевых LDSA и позволить использовать LDSA в натурных экспериментах с условиями, далекими от лабораторных.
Научная новизна
Впервые экспериментально исследовано возникновение и рост нестационарных возмущений в кубическом контейнере с вращающейся верхней крышкой с использованием лазерной доплеровской измерительной системы на полупроводниковом лазере, произведено сопоставление чисел Рейнольдса, при которых возникают и развиваются нестационарные явления в закрученных потоках с разными формами рабочих участков (цилиндрическим и кубическим).
Выполнены исследования спектральных характеристик закрученного потока в кубическом контейнере для чисел Рейнольдса в диапазоне от 1000 до 2400.
Для обработки сигналов LDSA от естественных светорассеивателей в средах с плохой оптической разрешимостью предложено применение многочастичной модели сигнала и метода определения доплеровской частоты путем вычисления спектрального «центра масс», отличающегося введением дополнительных параметров доплеровского процессора: частоты дискретизации, уровня порога фильтрации спектрального шума, ширины спектрального окна и их автоматической адаптивной подстройкой.
Предложена функциональная схема LDSA, позволяющая автоматизировать адаптивную обработку сигнала и процесс проведения эксперимента.
Достоверность
Достоверность полученных в работе результатов подтверждена результатами испытаний, анализом погрешностей, сопоставлением экспериментальных результатов, полученных различными методами измерений, в том числе другими авторами. Предложенные методы, созданные на их основе действующие алгоритмы и программные модули прошли прямые испытания и экспериментальные проверки.
Практическая ценность работы
Полученные в диссертации результаты по сопоставлению роста пульсаций закрученного потока в цилиндрическом и кубическом контейнерах имеют принципиальное значение для развития вихревых технологий - вихревого горения, описания процессов в вихревых биохимических реакторах и других, в которых на процессы тепломассопереноса существенно влияют нестационарность потока и явление прецессии вихревого ядра.
Кроме того, для достижения данного результата были разработаны и реализованы алгоритмы и программные компоненты для обработки сигналов лазерных доплеровских измерительных систем, использованные в измерительных системах серий «ЛАД-03», «ЛАД-05», «ЛАД-056 ЛМЗ». Эти измерительные системы успешно используются в научных исследованиях для определения структуры течений и кинематических характеристик нестационарных многофазных потоков конденсированных сред в Институте гидродинамики СО РАН, в лабораториях Института теплофизики СО РАН, на большом кавитационном стенде ОАО "Силовые машины", г. Санкт-Петербург, в Самарском, Томском, Новосибирском и Пермском университетах. Результаты работы расширяют функциональность и область применения лазерных доплеровских измерительных
систем для определения скорости частиц в оптически плотных многофазных средах на натуральных светорассеивателях. Новые экспериментальные результаты, полученные с помощью лазерной доплеровской измерительной системы «ЛАД-05 ЛМЗ», используются для улучшения технических характеристик гидротурбин. Измерительная система «ЛАД-015» используется в составе Государственного эталона скорости воздушного потока России во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии им. Менделеева, г. Санкт-Петербург.
На защиту выносится
Результаты исследования пульсирующих закрученных течений в кубическом контейнере с вращающейся верхней крышкой, полученные с помощью разработанного LDSA. Исследованы радиальная и осевая скорости потока в точке h=H/4, r=R/2. Установлено, что при Re = 1400 поток начинает испытывать гармонические пульсации скорости, сначала одномодовые, затем двух- и трехмодовые. При Re > 2300 отдельные моды не выделяются, а поток становится существенно нестационарным.
Сопоставление уровня пульсаций в вихревых устройствах с рабочими участками кубической и цилиндрической формы. Выявлено, что пульсации в кубическом контейнере возникают существенно раньше (Re = 1400), чем в цилиндрическом (Re = 2500), а амплитуда пульсаций при Re = 1400 -^ 2300 растет линейно с числом Рейнольдса.
Модифицированные метод и устройство определения доплеровской частоты, основанные на вычислении спектрального «центра масс», отличающиеся автоматической адаптивной подстройкой параметров (частоты дискретизации, уровня порога спектрального шума, ширины спектрального окна). Метод снижает погрешность определения доплеровской частоты и скорости естественных светорассеивателей в 1.5-3 раза для соотношения сигнал/шум 0-15 дБ.
Программная реализация параметризованного адаптивного метода обработки сигнала в измерительной системе LDSA, предназначенной для исследования сложных пульсирующих течений с плохой оптической разрешимостью.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы прошли апробацию на VII, VIII, IX и X Всероссийской конференции молодых ученых "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики" (Новосибирск, 2002, 2004, 2006, 2008), VII, VIII и IX Международной научно-технической конференции «Оптические методы исследования потоков» (Москва, 2003, 2005, 2007), II, III, V, VII, IX Международной научно-практической конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности" (Санкт-Петербург, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010), IV Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь - 2007» (Барнаул 2007), Всероссийской научной конференции молодых ученых "Наука. Технологии. Инновации." (Новосибирск, 2008), а также на различных научных семинарах и совещаниях.
Личный вклад автора
Личный вклад автора заключается в адаптации моделей сигналов LDSA, разработке методов обработки таких сигналов, реализации методов в виде алгоритмов программного обеспечения (ПО) измерительного комплекса. Эксперименты по исследованию пульсационных характеристик в кубическом контейнере, обработка и анализ его результатов выполнены автором при участии сотрудников научного коллектива.
Реализация конкретных измерительных систем с использованием созданных алгоритмов и программных модулей обработки сигнала выполнялись сотрудниками научного коллектива при непосредственном участии автора. Представление изложенных в диссертации и выносимых на защиту результатов, полученных в совместных исследованиях, согласовано с соавторами.
Публикации
Во время работы над диссертацией соискателем лично и в соавторстве опубликовано 54 печатных работы, из них по материалам диссертационной работы 30, 4 из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, получен один патент на изобретение РФ.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 3 разделов, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 143 страницы, включая 62 иллюстрации и 202 наименования цитируемой литературы.
